單肢鋼管混凝土偏心受壓柱的穩(wěn)定承載力分析

全國興 黃加平 吳啟紅

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而形成的構件，它是在勁性鋼筋混凝土結構及螺旋配筋混凝土結構的基礎上演變和發(fā)展起來的一種新型結構。鋼管混凝土柱具有承載力高、經(jīng)濟、實用、美觀等優(yōu)點，在工業(yè)廠房和高層以及超高層建筑中得到了大量的應用[1-3]。

1 單肢鋼管混凝土偏壓柱主要影響因素參數(shù)分析

在實際工程中，由于受到初始缺陷、材料的不均勻性以及制造誤差等因素的影響，大部分鋼管混凝土構件都處于偏心受壓狀態(tài)。因此有必要研究構件的偏心率大小對鋼管混凝土柱穩(wěn)定極限承載力的影響。本文采用文獻[5]的構件參數(shù)對鋼管混凝土偏心受壓柱進行彈塑性分析，基本參數(shù)見表1。

表1 偏心受壓構件參數(shù)表

在用ANSYS對鋼管混凝土進行分析時，主要通過構件的荷載—跨中位移關系來研究不同長細比、鋼管壁厚、偏心距等因素對偏心受壓鋼管混凝土柱極限承載力影響的變化規(guī)律。

從圖1～圖3的參數(shù)分析中可以得到，隨著偏心率和長細比的增加，鋼管混凝土柱的穩(wěn)定承載力明顯降低。在相同的長細比下，偏心率越大，構件的極限承載力越低;在相同的偏心率下，長細比越大，構件的極限承載力越低。因此有必要考慮偏心率對鋼管混凝土柱的影響。

有限元計算模型雖能準確地計算鋼管混凝土柱的極限承載力，但計算過程較為復雜，方法也不便于實際應用，有必要提供鋼管混凝土柱偏心受壓的穩(wěn)定承載力簡化計算公式。

2 單肢鋼管混凝土偏壓柱的穩(wěn)定承載力計算公式

2.1 考慮長細比影響的鋼管混凝土軸心受壓中長柱的穩(wěn)定承載力計算公式

仿照普通鋼柱和鋼筋混凝土柱的處理方法，直接從大量的試驗數(shù)據(jù)中找出因長細比的增長而使極限承載力降低的規(guī)律[4]。根據(jù)鋼構件軸壓承載力設計公式的建立方法，確定鋼管混凝土中長柱的穩(wěn)定系數(shù)φl:

由此可以得到考慮長細比影響的鋼管混凝土偏壓柱的穩(wěn)定承載力計算公式為:

2.2 考慮長細比、偏心率影響的鋼管混凝土軸心受壓中長柱的穩(wěn)定承載力計算公式

定義鋼管混凝土柱承載力的偏心率折減系數(shù)為:

根據(jù)試驗結果回歸(見圖4)，得到鋼管混凝土柱承載力偏心率折減系數(shù)的計算公式為:

因此可以得到既考慮長細比影響，又考慮偏心率影響的鋼管混凝土中長柱計算公式:

3 結語

通過相關實驗數(shù)據(jù)來驗證式(8)的正確性。主要考慮構件的長細比和偏心率對鋼管混凝土柱穩(wěn)定承載力的影響。

分析得到，當構件長細比一定時，鋼管混凝土偏心受壓柱的穩(wěn)定承載力隨構件的偏心距的增大而減小;當構件的偏心率一定時，鋼管混凝土柱的穩(wěn)定承載力隨構件的長細比的增大而減小，反之則增大。式(8)的計算結果與實驗值吻合良好，具有表達形式簡單，計算精度高的特點，可供鋼管混凝土結構工程設計時參考使用。

[1] 韓林海.鋼管混凝土結構的特點及發(fā)展[J].工業(yè)建筑，1998，28(10):1-5.

[2] 劉海霞.高強混凝土的力學性能及應用[J].黑龍江交通科技，2003，115(9):80-81.

[3] 韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社，2004:340-342.

[4] 湯關祚，招炳泉.鋼管混凝土受壓構件承載力計算[J].工業(yè)建筑，1985(2):21-25.

[5] 趙均海，顧 強.鋼管混凝土偏心受壓極限承載力的實驗研究及理論研究[J].工程力學，2001(sup):273-276.

[6] 陳 銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結構穩(wěn)定性設計[J].山西建筑，2008，34(5):118-119.

[7] 蔡紹懷，邸小壇.鋼管混凝土偏壓柱的性能和強度計算[J].建筑結構學報，1985(4):32-41.